CN109683296A - 变焦镜头及其工作方法、摄像装置 - Google Patents

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张平华
胡侃杰
张�杰
厉冰川
尚洁阳
张思慎
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Jiaxing Zhongrun Optical Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/16—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group
    • G02B15/177—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a negative front lens or group of lenses

Abstract

本发明提供了一种变焦镜头及其工作方法、摄像装置，所述变焦镜头包括：从物侧到像侧依次设置的具有负光焦度的聚焦透镜组、光阑、具有正光焦度的沿着所述变焦镜头的光轴正向及反向移动的变焦透镜组、具有负光焦度的固定透镜组、滤光片；所述聚焦透镜组的焦距f1、所述变焦透镜组的焦距f2和所述固定透镜组的焦距f3满足：本发明具有全程红外聚焦、高低温下不会虚焦等优点。

Description

变焦镜头及其工作方法、摄像装置
技术领域
本发明涉及光学镜头，特别涉及变焦镜头及其工作方法、摄像装置。
背景技术
为了满足监控摄像机能在近距离和远距离监控时均能清晰成像，监控摄像机的镜头需要具备适当倍率的变倍，一般情况下，倍率越大，设计难度越高，在高倍下的成像质量就会越差。在摄像机像素提升的同时，带来的是透镜数量的增加和整体结构复杂性的增加，高分辨率高像素往往对应着大尺寸和高成本。而且为了满足夜间监控的需求，监控摄像机也需要具备红外共焦的能力，以及一定的温漂补偿能力。
目前，监控摄像机用的变焦镜头无法兼顾外形尺寸、成本、成像质量、红外共焦、温漂补偿和焦段等诸多影响镜头质量的制约因素。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种同时兼顾成像质量、红外共焦、温漂补偿的变焦镜头。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
变焦镜头，所述变焦镜头包括：
从物侧到像侧依次设置的具有负光焦度的聚焦透镜组、光阑、具有正光焦度的沿着所述变焦镜头的光轴正向及反向移动的变焦透镜组、具有负光焦度的固定透镜组、滤光片；
所述聚焦透镜组的焦距f1、所述变焦透镜组的焦距f2和所述固定透镜组的焦距f3满足：
本发明的目的还在于提供了上述变焦镜头的工作方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
根据上述的变焦镜头的工作方法，所述工作方法为：
当物距改变时，沿光轴方向调整变焦透镜组的位置时，镜头实现在不同放大或缩小倍率下的聚焦；
当变焦透镜组沿着光轴从物侧向像侧移动时，实现从望远端向广角端的变倍过程。
本发明的目的还在于提供了同时兼顾成像质量、红外共焦、温漂补偿的摄像装置，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
摄像装置，所述摄像装置包括光学镜头和光电探测器；所述光学透镜采用上述的变焦镜头。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
通过光学透镜搭配和面型优化，同时兼顾成像质量、红外共焦、温漂补偿；
实现了4K超高清的分辨率，可搭配1200万以上像素的图像传感器使用，使被监控对象能真实、清晰地被拍摄下来，极大地提高了安防监控的可辨识性和真实性。另外，更高的分辨率使得本发明的镜头能拍摄更大场景的画面，即使将画面放大以后也能看清，因此本发明也能更好地应用在大场景下的监控
从广角端到望远端全程红外共焦，在各个焦段和倍率下均能保持日夜24小时清晰成像，即使在雾霾、沙尘等恶劣条件下，通过其优秀的红外共焦性能，亦可拍摄到清晰、高对比度的图像，极大地提升了可靠性与图像的辨识性；
在高温(如80℃)和低温(如-40℃)下均不会出现虚焦，保证了清晰成像，使得镜头能在所有环境下清晰成像。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是本发明实施例1的变焦镜头的结构简图；
图2是本发明实施例2的变焦镜头的结构简图；
图3为本发明实施例2的广角端的相对于d线的各像差图；
图4为本发明实施例2的望远端的相对于d线的各像差图；
图5为本发明实施例3的变焦镜头的结构简图；
图6为本发明实施例3的广角端相对于d线的各像差图；
图7为本发明实施例3的望远端相对于d线的各像差图；
图8为本发明实施例2的广角端MTF图；
图9为本发明实施例3的广角端MTF图。
具体实施方式
图1-9和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例1的变焦镜头的结构简图，如图1所示，所述变焦镜头包括：
从物侧到像侧依次设置的具有负光焦度的聚焦透镜组、孔径光阑、具有正光焦度的沿着所述变焦镜头的光轴正向及反向移动的变焦透镜组、具有负光焦度的固定透镜组、用于滤除杂散光的滤光片；
所述聚焦透镜组的焦距f1、所述变焦透镜组的焦距f2和所述固定透镜组的焦距f3满足：
所述聚焦透镜组的焦距f1∈(-16，-4)，所述聚焦透镜组包括：
负光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜和正光焦度的第三透镜，满足：f1i为聚焦透镜组中第i透镜的焦距；所述聚焦透镜组包括至少一个负光焦度的非球面透镜，优选地，所述非球面透镜的折射率n∈(1.5，1.)6，阿贝数Vd∈(53，57)
所述变焦透镜组的焦距f2∈(4，16)，所述变焦透镜组包括：
正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜，所述第二透镜和第三透镜为胶合件，且满足：f2i为变焦透镜组中第i透镜的焦距，优选地，f22∈(-20,-12)、f23∈(6,12)；所述变焦透镜组包括至少一个负光焦度的非球面透镜，优选地，所述非球面透镜的折射率n∈(1.5，1.6)，阿贝数Vd∈(53，57)。
本发明实施例的上述变焦镜头的工作方法，所述工作方法为：
当物距改变时，沿光轴方向调整变焦透镜组的位置时，镜头实现在不同放大或缩小倍率下的聚焦：
当变焦透镜组沿着变焦镜头的光轴从物侧调整至像侧的正向移动时，实现从望远端向广角端的变倍；当变焦透镜组沿着光轴从像侧向物侧移动时，实现从望远端向广角端的变倍；
所述广角端是变焦镜头焦距最小时透镜的相对状态，所述望远端是所述变焦镜头焦距最大时透镜的相对状态。
实施例2：
根据本发明的变焦镜头及其工作方法在监控摄像头中的应用例。
如图2所示，在本应用例中，聚焦透镜组包括：
沿光轴方向从物侧到像侧起依次设置第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3，其中：第一透镜为光焦度为负的玻璃球面透镜；第二透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；第三透镜为光焦度为正的塑料非球面透镜。
变焦透镜组包括：
沿光轴方向从物侧到像侧依次设置第四透镜L4(也即变焦透镜组的第一透镜)、第五透镜L5(也即变焦透镜组的第二透镜)、第六透镜L6(也即变焦透镜组的第三透镜)、第七透镜L7(也即变焦透镜组的第四透镜)和第八透镜L8(也即变焦透镜组的第五透镜)；其中：第四透镜为光焦度为正的塑料非球面透镜；第五透镜为光焦度为负的玻璃球面透镜；第六透镜为光焦度为正的玻璃球面透镜，且第五透镜与第六透镜通过胶合形成以个合光角度为正的胶合透镜，胶合面凹面朝向像方；第七透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；第八透镜为光焦度为正的玻璃球面透镜。
固定透镜组包括：变焦透镜组和滤光片之间的沿光轴方向设置的第九透镜L9，其中：第九透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；
光电检测器，所述光电检测器采用CCD或CMOS等成像元件。
以下示出本实施例的变焦镜头的各种数值数据：
有效焦距EFL＝2.9(广角端)～6.8(中间端)～12.5(望远端)。
数值孔径FNO＝1.4(广角端)～2.2(中间端)～2.9(望远端)。
表1：镜头结构参数。
其中第五透镜的第二表面即第六透镜的第一表面。
表2：镜头变焦参数
表面序号 W M T
A 13.5 3.5 0.9
B 6.8 4.7 0.5
C 0.5 2.8 8.1
表3：镜头非球面系数
表面序号 K A4 A6 A8 A10
3 0 4.47E-11 -1.13E-07 -1.13E-07 5.21E-05
4 0 -3.09E-10 5.26E-10 4.18E-05 3.77E-07
5 0 -3.70E-05 -2.26E-06 -1.54E-08 4.54E-12
6 0 7.22E-04 -1.62E-07 -5.18E-11 5.26E-10
8 0 -3.29E-06 -1.13E-07 6.17E-10 7.28E-12
9 0 5.21E-05 7.90E-12 -4.79E-10 3.94E-05
13 0 4.18E-05 3.77E-07 4.47E-11 -3.09E-10
14 0 5.62E-04 -6.92E-08 2.43E-08 --8.37E-13
17 0 -1.13E-07 -2.26E-06 -1.62E-07 7.90E-12
18 0 -5.18E-11 4.54E-12 5.26E-10 4.18E-05
如图3所示，为本实施例的变焦镜头广角端相对于d线(λ＝587.56nm)的各像差图；
如图4所示，为本实施例的变焦镜头望远端相对于d线(λ＝587.56nm)的各像差图。像散图中的S、M，分别表示弧矢像面、子午像面所对应的像差。
如图8所示，为本实施例的MTF图，MTF图中从中心视场、0.5视场、1.0视场三部分综合考察镜头的调制传递函数。
本实施例的变焦镜头的工作方法为：
当物距改变时，沿光轴方向移动聚焦透镜组的位置，可以实现镜头在不同倍率下的聚焦：
变焦透镜组的作用是缩小或放大倍率：当变焦透镜组沿着光轴方向，从物侧调整至像侧的正向移动时，镜头实现从望远端向广角端的变倍兼聚焦过程；反之，变焦透镜组沿着光轴从像侧向物体侧的反向移动时，镜头实现从广角端向望远端的变倍过程。
实施例3：
根据本发明的变焦镜头及其工作方法在监控摄像头中的应用例。
如图5所示，在本应用例中，聚焦透镜组包括：
沿光轴方向从物侧到像侧依次设置第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，其中：第一透镜为光焦度为负的玻璃球面透镜；第二透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；第三透镜为光焦度为正的玻璃球面透镜；第四透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；
变焦透镜组包括：
沿光轴方向从物侧到像侧依次设置第五透镜L5(也即变焦透镜组的第一透镜)、第六透镜L6(也即变焦透镜组的第二透镜)、第七透镜L7(也即变焦透镜组的第三透镜)、第八透镜L8(也即变焦透镜组的第四透镜)、第九透镜L9(也即变焦透镜组的第五透镜)、第十透镜L10(也即变焦透镜组的第六透镜)，其中：第五透镜为光焦度为正的塑料非球面透镜；第六透镜为光焦度为负的玻璃球面透镜；第七透镜为光焦度为正的玻璃球面透镜，且第六透镜与第七透镜通过胶合形成合光焦度为正的胶合透镜，胶合面凹面朝向像方；第八透镜为光焦度为负的玻璃球面透镜；第九透镜为光焦度为负的塑料非球面球面透镜，第十透镜为光焦度为正的玻璃球面透镜；
固定透镜组包括：
沿光轴方向从物侧到像侧依次设置第十一透镜L11、第十二透镜L12，其中：第十一透镜为光焦度为正的塑料非球面透镜，第十二透镜为光焦度为负的塑料非球面透镜；
光电检测器，所述光电检测器采用CCD或CMOS等成像元件。
以下，示出本实施例的变焦镜头的各种数值数据：
有效焦距EFL＝2.5(广角端)～7.2(中间端)～14.2(望远端)
数值孔径FNO＝1.3(广角端)～2.1(中间端)～2.6(望远端)
表4：镜头结构参数
其中第六透镜的第二表面即第七透镜的第一表面。
表5：镜头变焦参数
表面序号 W M T
A 10.6 3.6 2.2
B 9.8 7.1 1.0
C 10.6 12.5 19.1
表6：镜头非球面系数
如图6所示，为本实施例的变焦镜头广角端相对于d线(λ＝587.56nm)的各像差图；
如图7所示，为实施例2的变焦镜头望远端相对于d线(λ＝587.56nm)的各像差图。像散图中的S、M，分别表示弧矢像面、子午像面所对应的像差。
如图9所示，为实施例2的MTF图和实拍图，MTF图中从中心视场、0.5视场、1.0视场三部分综合考察镜头的调制传递函数。
从图8、9中可以看出，实施例3相较于实施例2，在球面像差、像面弯曲和场曲上均有提升；增加的透镜可以极大程度提高镜头画质，可以匹配4K甚至更高性能的传感器。

Claims (10)

1.一种变焦镜头，其特征在于：所述变焦镜头包括：
从物侧到像侧依次设置的具有负光焦度的聚焦透镜组、光阑、具有正光焦度的沿着所述变焦镜头的光轴正向及反向移动的变焦透镜组、具有负光焦度的固定透镜组、滤光片；
所述聚焦透镜组的焦距f1、所述变焦透镜组的焦距f2和所述固定透镜组的焦距f3满足：
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：所述聚焦透镜组和/或变焦透镜组包括至少一个负光焦度的非球面透镜。
3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于：所述非球面透镜的折射率n∈(1.5，1.6)，阿贝数Vd∈(53，57)。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于：所述聚焦透镜组的焦距f1∈(-16，-4)、所述变焦透镜组的焦距f2∈(4，16)。
5.根据权利要求1或4所述的变焦镜头，其特征在于：所述聚焦透镜组包括：
负光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜和正光焦度的第三透镜，满足：f1i为聚焦透镜组中第i透镜的焦距。
6.根据权利要求1或4所述的变焦镜头，其特征在于：所述变焦透镜组包括：
正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜，所述第二透镜和第三透镜为胶合件，且满足：f2i为变焦透镜组中第i透镜的焦距。
7.根据权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于：f22∈(-20,-12)、f23∈(6,12)。
8.根据权利要求1至7任一所述的变焦镜头的工作方法，所述工作方法为：
当物距改变时，沿光轴方向调整变焦透镜组的位置时，镜头实现在不同放大或缩小倍率下的聚焦：
当变焦透镜组沿着变焦镜头的光轴从物侧调整至像侧的正向移动时，实现从望远端向广角端的变倍；当变焦透镜组沿着光轴从像侧向物侧反向移动时，实现从广角端向望远端的变倍。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述广角端是变焦镜头焦距最小时透镜的相对状态，所述望远端是所述变焦镜头焦距最大时透镜的相对状态。
10.摄像装置，所述摄像装置包括光学镜头和光电探测器；其特征在于：所述光学透镜采用权利要求1-7任一所述的变焦镜头。
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